Analiza danych materiałów do baterii
Krzysztof Dolny
2024-11-12
1. Podsumowanie
W analizie zgromadzonych danych dotyczących materiałów do baterii omówiono najważniejsze wskaźniki, takie jak formuły chemiczne, pojemność, gęstość energii oraz stabilność. Formuły chemiczne baterii są bardzo zróżnicowane, jednakże możemy w nich wyróżnić kilka dominujących pierwiastków. Dominującym materiałem będącym głównym jonem baterii jest lit, który jest stosowany w ponad 50% baterii. Jednakże alternatywne materiały, jak magnez czy wapń, oferują zwiększoną stabilność, co może przynieść korzyści w wybranych zastosowaniach – przykładowo gdy od baterii wymagana jest dłuższa żywotność lub częste ładowania. Analiza korelacji pozwoliła określić, które z właściwości baterii bezpośrednio na siebie wpływają, co może mieć kluczowe znaczenie przy ich projektowaniu. Uzyskane wyniki mogą posłużyć do opracowania trwalszych i bardziej efektywnych materiałów bateryjnych dostosowanych do różnorodnych zastosowań.
2. Raport
2.1 Konfiguracja środowiska
Poniższy kod pozwala na załadowanie wykorzystywanych bibliotek, zapewnia powtarzalność wyników przy każdym uruchomieniu raportu, a także wczytuje do programu zbiór danych dotyczący baterii.
library(knitr)
library(dplyr)
library(ggplot2)
library(plotly)
library(corrplot)
library(gridExtra)
library(caret)
library(broom)
set.seed(123)
baterie_data <- read.csv("mp_batteries.csv")2.2 Podstawowwe statystyki zbioru danych
| Kategoria | Liczba |
|---|---|
| Liczba rodzaji baterii | 4351 |
| Unikalne wzory chemiczne materiału baterii | 3301 |
| Liczba unikalnych jonów głównych transportująca ładunek | 10 |
Zbiór danych zawiera informacje o 4351 różnych bateriach opisanych przy pomocy 17 atrybutów. Ponadto zbiór danych zawiera 0 brakujących wartości “NA”. Dane te pozwalają na analizę zróżnicowanych parametrów i materiałów, wykorzystywanych w konstrukcji baterii.
2.3 Popularne formuły chemiczne i materiały stosowane w bateriach
| Battery Formula | Liczba wystąpień |
|---|---|
| Li0-1V2OF5 | 19 |
| Li0-1CoPO4 | 18 |
| Li0-1FePO4 | 18 |
| Li0-3MnFeCo(PO4)3 | 17 |
| Li0-1MnPO4 | 15 |
Analiza pięciu najczęściej występujących formuł chemicznych ujawnia znaczącą przewagę baterii litowych, co odzwierciedla ich szerokie zastosowanie w przemyśle.
Lit jest najczęściej występującym jonem transportującym ładunek, obecnym w ponad połowie zbadanych baterii.. Często używane są także wapń, magnez, cynk i sód.
2.4 Analiza wartości atrybutów
W histogramach parametrów baterii dostrzegamy, że średnie napięcie oscyluje w zakresie 1,5–5 V, co jest typowe dla standardowych baterii litowych. Pojemność grawimetryczna waha się głównie między 50 a 300 mAh/g, natomiast pojemność wolumetryczna sięga wartości do 2500 mAh/cm³. Warto zwrócić uwagę na obecność wartości ujemnych w niektórych wskaźnikach gęstości energii, co może sugerować obecność nieprawidłowych danych w zbiorze, które usunięto z dalszej analizy.
baterie_data <- baterie_data %>%
filter(Gravimetric.Energy > 0, Volumetric.Energy > 0)2.5 Korelacja pomiędzy zmiennymi
Zaobserwowano silną korelację między atrybutami, które są ze sobą bezpośrednio powiązane, jak pojemność grawimetryczna i wolumetryczna, gdzie współczynnik korelacji wynosi 0,86. Korelacje występują także między wskaźnikami stabilności materiału w stanie naładowanym i rozładowanym, a także między gęstością energii wyrażoną w odniesieniu do masy i objętości baterii. Z kolei w przypadku atrybutów, które nie są bezpośrednio powiązane, obserwujemy słabszą korelację, między wartością średniego napięcia a gęstościami energii.
2.6 Stabilność materiału w stanie naładowanym i rozładowanym
Jony takie jak Mg, Zn czy Y charakteryzują się wyższą stabilnością niż powszechnie stosowany lit. W kontekście baterii wyższa stabilność oznacza dłuższą żywotność i większą efektywność, co może być szczególnie pożądane w niektórych zastosowaniach, takich jak urządzenia wymagające długotrwałego działania lub częstych cykli ładowania.
3. Predykcja właściwości nowych materiałów
4. Podsumowanie i wnioski
W analizie materiałów do baterii wyraźnie wyróżniają się pewne trendy. Zdecydowaną dominację w produkcji baterii stanowią formuły wykorzystujące lit, jednak coraz więcej uwagi poświęca się alternatywnym materiałom, takim jak wapń, magnez, czy cynk. W kontekście efektywności energetycznej, widoczna jest duża zmienność w gęstości energii, co może wynikać z różnych metod produkcji oraz zastosowanych materiałów. Z kolei analiza pojemności grawimetrycznej i wolumetrycznej pokazuje różne podejścia w projektowaniu baterii, zależne od ich docelowych zastosowań. Dodatkowo, wskaźniki stabilności materiałów w stanie naładowanym i rozładowanym wskazują, że lit nie jest najstabilniejszym materiałem, stąd też liczne próby wykorzystania innych materiałów.